全風化地層單管鉆桿水平注漿技術研究與應用

肖紅渠

0 引言

在我國閩南等沿海地區廣泛分布風化花崗巖地層，具有以下特點［1，2］:1)外觀特征可辨，結構松散無膠結，自穩性差。2)巖體滲透性微弱，滲透系數在10-4cm2/s左右。3)風化巖夾含孔隙水和殘存裂隙水，處于飽和狀態。在這種地層中修建隧道，通常采用注漿止水等措施。單管鉆桿注漿法就是直接利用鉆機的鉆桿作為注漿管從鉆桿前端注漿的方法［2］，鉆孔達到設計孔深后，邊注漿邊后退鉆桿，直至該段注漿結束。本文對單管鉆桿水平后退式注漿技術進行了研究。

1 工法特點

1)鉆孔一次成孔，成孔后不退鉆桿即可注漿。

2)漿液可進入孔底，保證了孔底的注漿效果。

3)采用分段后退式注漿，節省了鉆孔數量和時間。

4)采用孔口止漿塞及鉆桿和孔壁之間的凝固體作為止漿系統。

2 工法實施步驟及關鍵技術

2.1 注漿工藝

注漿工藝如圖1所示。

2.2 工藝實施步驟

1)施工準備及鉆機就位。

2)安設孔口管。

3)鉆孔。

4)安裝排水裝置和止漿塞。

5)注漿。

6)分段后退。

2.3 工法關鍵技術

2.3.1 止漿系統的可靠性

止漿系統的可靠性包括孔口止漿的可靠性和掌子面止漿墻的可靠性。

2.3.2 漿液的凝膠時間

現場取雙液漿凝膠時間為3 min～5 min。

2.3.3 防止抱鉆的措施

1)初始沖填鉆桿和鉆孔孔壁空隙的漿液應采用短凝膠時間和低強度的漿液。

2)正常注漿時采用的漿液應采用長凝膠時間和易擴散、高強度漿液。

3)鉆桿在注漿過程中應保持不停轉動。

3 工法適用范圍及機械設備要求

3.1 工法適用范圍

1)微弱富水全風化花崗巖地層及含水砂層。2)裂隙發育及斷層破碎帶地層。

3.2 機械設備要求

3.2.1 鉆機

采用意大利旋轉沖擊式履帶鉆機C-6。

3.2.2 注漿泵

采用兩臺雙液注漿泵，最大壓力7 MPa。

4 工程應用

4.1 工程概況

廈門市成功大道淺埋暗挖段689.7 m。開挖跨度最大為33.66 m;該段隧道埋深9.9 m～10.4 m，地下水埋深2m～3 m，地層參數見表1。

表1 地層參數

4.2 注漿方案

4.2.1 注漿孔布置

洞口段采用全斷面注漿加固和堵水，注漿孔布置如圖2，圖3所示。

4.2.2 注漿參數

注漿參數見表2。

表2 注漿參數

4.2.3 注漿材料

選用普通水泥漿和普通水泥—水玻璃雙液漿及緩凝劑。

4.2.4 注漿壓力的確定

根據現有圍巖劈裂注漿理論研究［4］，鉆孔劈裂時的起始壓力為:

其中，p1為鉆孔起始壓力;α為鉆孔應力集中系數，一般為2.5～4.0;σ3為軸向應力;σ1為切向應力;Rt為圍巖抗拉強度。

裂隙擴展壓力為:

其中，p2為裂隙擴展壓力;a0為鉆孔半徑;G(L/a0)，F(L/a0)均為L/a0的函數;K1為裂隙擴展時的臨界強度因子。

當L≥10a0，G(L/a0)=F(L/a0)=1，此時:

假設鉆孔部位僅存在自重應力場，則:

鉆孔劈裂的起始注漿壓力應大于1.5 MPa。裂隙擴展注漿壓力應大于0.9 MPa。

4.3 漿液在地層中的分布規律

開挖后可以看出，漿液在全風化花崗巖中以水平分布為主。

從鉆孔內的漿液凝固體來看，鉆孔周圍的土體獲得了較大的擠密。

4.4 漿液在地層中的運動規律

漿液在地層中的運動分為空隙充填、擠密擴孔、劈裂流動、再次劈裂四個階段，如圖4所示。

5 結語

1)單管鉆桿水平后退式注漿是采用孔口止漿和孔內漿液止漿相結合進行止漿處理，因此孔口止漿系統和初始注入漿液相當重要。

2)通過現場試驗，單管鉆桿水平后退式注漿漿液可以到達孔底，提高了孔底的注漿效果。

3)雖然通過多種注漿手段能夠對地層起到一定的加固和堵水作用，但施工中須及時支護和封閉，并結合其他輔助措施綜合使用。

［1］ 關寶樹.隧道施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］ 趙 勇.歧嶺隧道進口段軟弱圍巖注漿加固技術［J］.鐵道建筑技術，1999(5):21-23.

［3］ ［日］草野一人.地基加固和防水藥液注漿設計施工手冊［M］.北京:中國隧道出版社，1989.

［4］ 葛家良，江 濤.巷道圍巖劈裂注漿作用機理［J］.礦山壓力與頂板管理，1997(Z1):161-163.